Quantenanalog zum Einsteinschen Äquivalenzprinzip

  • 07. June 2017

Experiment legt Basis zur Entwicklung neuer Sensoren in der Geodäsie.

In einem sagen­umwobenen Versuch ließ der ita­lienische Wissen­schaftler Galileo Galilei im 16. Jahr­hundert Kugeln unter­schiedlicher Masse vom Schiefen Turm von Pisa fallen. Damit soll er gezeigt haben, dass unter dem Einfluss der Gravi­tation verschiedene Körper mit derselben Beschleu­nigung fallen. Die Weiter­entwicklung der Kernidee des Gali­leischen Versuchs durch Albert Einstein, Einsteins Äquivalenz­prinzip, führte zur Entstehung einer der Grundsäulen moderner Natur­wissenschaft, der Relativitäts­theorie.

Abb.: Ein internationales Physikerteam bestätigte die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel. (Bild: M. Tino, U. Florenz)

Abb.: Ein internationales Physikerteam bestätigte die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel. (Bild: M. Tino, U. Florenz)

Nun hat ein inter­nationales Team um Guglielmo Tino von der Uni­versität Florenz ein Experi­ment realisiert, das als Quanten­analog des legen­dären Galileischen Tests betrachtet werden kann. Mit der Expertise von theo­retischen Physikern der Uni­versität Wien, der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften und der Universität Queens­land konnten die Forscher Aspekte der Rela­tivitäts­theorie und der Quanten­physik kombinieren, und so ein Schema zur Messung des Ein­steinschen Äquivalenz­prinzip für ein Quanten­system entwickeln und im Experiment testen.

In der klas­sischen Physik beschreibt die berühmte rela­tivistische Formel E=mc2, wie die Gesamt­masse eines Systems von seiner Energie abhängt. Im Gegen­satz zur klas­sischen Theorie muss in der Quanten­theorie ein System jedoch nicht immer eine bestimmte Energie haben. Es kann gleich­zeitig zwei oder mehrere unter­schiedliche Energie­zustände in einer Quanten­super­position einnehmen. Ein Quanten­system kann daher verschiedene Masse-Energien in Super­position auf­weisen. Im aktuellen Versuch maßen die Forscher die durch die Gravi­tation verur­sachte Beschleu­nigung von Rubidium-Atomen. Diese waren von den Physikern in Quanten­super­positionen von verschiedenen inneren Energien gebracht und mittels Laser­licht auf außer­ordentlich niedrige Temperaturen nahe dem Absoluten Nullpunkt gekühlt worden.

Um ihre Messungen durch­zuführen, verwen­deten die Wissen­schafter ein neues Schema, das in der Gruppe in Florenz entwickelt wurde und auf einem Bragg­schen Atom­interfero­meter beruht. Das Experiment bestätigte die Gültigkeit des Äquivalenz­prinzips für Quanten­super­positionen mit einer relativen Genauig­keit von einigen Milliardstel. „Das Experiment zeigt, dass die Körper, die keine wohl defi­nierte Masse-Energie haben, in derselben Art und Weise fallen, wie jene mit einer bestimmten Masse-Energie. Damit ist die Gültigkeit des Ein­steinschen Äquivalenz­prinzips im Bereich der Quanten­physik überprüft“, fasst Caslav Brukner zusammen.

Das im Experiment umge­setzte Schema kann zur Ent­wicklung neuer Sensoren mit viel­fältigen Anwen­dungen führen: in der Geodäsie, in Studien über Vulkanausbrüche und Erdbeben, bei der Suche nach Mineral­vorkommen, in der Trägheits­navigation sowie bei Präzisions­messungen von Zeit, Frequenzen, Beschleu­nigungen und Rotationen, um die grund­legenden Gesetze der Physik auf der Erde und im Weltall zu testen.

U Wien / JOL

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